【解析】3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用進展

近幾年，“3D打印”概念不斷被人們熟悉，并成為科技界最火熱的技術(shù)名詞。理論上，只需要一臺3D打印機和一些材料，就可以把你的一切想法轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實產(chǎn)品。車、房子、骨骼、甚至食品都可以通過3D打印完成。2013年初，美國總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文中指出“3D打印有可能革命化我們制造幾乎所有產(chǎn)品的方式。這在其他地方也可實現(xiàn)。”英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志則認(rèn)為3D打印將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命。

1 3D打印概述
1.1 3D打印的概念
3D打印（Three Dimensional Printing，3DP）實質(zhì)為一種快速成型技術(shù)，是由成型設(shè)備以粉末材料累加的方式制成實物模型。與傳統(tǒng)制造業(yè)的去除材料加工方式不同，3D打印遵循的是加法原則，即實物為層層粉末疊加而成，所以也稱“增材”技術(shù)。試想如果把任何一件3D物品看成是二維平面的疊加，理論上所有物體就都能被打印出來。

1.2 3D打印的歷史
3D打印最早由Charles Hull于1984年開始研究。1986年3月11日，第一篇與3D打印相關(guān)的專利“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by stereo lithography”正式發(fā)布，其原理為立體光刻造型技術(shù)（stereolithography）。隨后出現(xiàn)了熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）與選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）另兩種3D成型技術(shù)�？梢哉J(rèn)為，立體光刻造型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)是實現(xiàn)3D快速成型的最主要實現(xiàn)方式，為3D打印技術(shù)的發(fā)展奠定了非常堅實的基礎(chǔ)，以致很多現(xiàn)在的3D打印技術(shù)都還保留了其技術(shù)特點。

1993，美國麻省理工學(xué)院（MIT）申請的專利“Three Dimensional Printing techniques”（3D打印技術(shù)）正式發(fā)布。這是一種依賴已有噴墨技術(shù)的3D成型技術(shù)。此后，3D打印設(shè)備不斷更新和發(fā)展，成為很多科研院所的研究方向。 3D打印技術(shù)隨后不斷發(fā)展，很多難以想象的產(chǎn)品被不斷打印完成。2005年，市場上首個高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510由Z corpration公司研制成功。2010年11月，世界上第一輛由3D打印而成的汽車Urbee問世。2011年7月，英國研究人員開發(fā)出世界上第一臺3D巧克力打印機。2011年8月，南安普頓大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機。2013年11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司利用“Solid Concepts”（固體概念）設(shè)計制造出 3D 打印金屬gun。

1.3 3D打印工作原理
3D打印主要依靠噴墨打印頭存取的液態(tài)粘合劑，不斷將金屬或陶瓷粉末材料粘結(jié)固化。整個過程開始于粉末供應(yīng)床的最上層，噴墨打印頭根據(jù)選定的目標(biāo)區(qū)域來釋放粘合劑，這些區(qū)域的粉末粘合在一起形成很薄的層面。等3D打印機構(gòu)建一層后，可以通過活塞的作用將構(gòu)建平臺降低，然后通過輥道將新的一層粉末補充為“平面”，印刷重復(fù)。打印完成后，可將被打印 物體周圍松散的支持粉體刷掉或清除。 但是隨著科技的不斷發(fā)展，有些3D打印設(shè)備已不在粉體供應(yīng)床中進行打印，而是直接把粉體、粘合劑、其它添加劑混合形成“陶瓷墨水”，然后通過打印機原理將這種陶瓷墨水直接打印到載體上成型，成型體的形狀及幾何尺寸由計算機控制。

2 傳統(tǒng)陶瓷3D打印研究進展

起初，3D打印技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用主要是模型的制作，利用3D打印的精致模具再翻模成型，制成精美的陶瓷產(chǎn)品。但隨后，3D打印逐漸能夠完成真實陶瓷產(chǎn)品的制作。2009年，位于土耳其伊斯坦布爾的Unfold設(shè)計室發(fā)起了一個名為“Stratigraphic Manufactury”（地層學(xué)制造）的項目，該項目旨在實現(xiàn)陶瓷的3D打印。 近兩年，國外很多公司或科研團體在從事傳統(tǒng)陶瓷的3D打印技術(shù)研究，取得了眾多突破性進展。2012年10月，Unfold設(shè)計室在“deseen”雜志公布了他們的最新研究成果。利用自行研發(fā)的3D打印設(shè)備成功打印了造型各異的日用陶瓷制品。有些產(chǎn)品經(jīng)表面上釉并燒制后，效果驚人，質(zhì)量優(yōu)異。 奧地利的3D打印公司Lithoz開發(fā)了基于光刻的陶瓷制造技術(shù)（LCM）。

借助LCM技術(shù)開發(fā)的最新型3D打印機CeraFab 7500能夠打印高精確度、高密度、高強度的陶瓷，材質(zhì)包括氧化鋁、氧化鋯等，成為陶瓷材料3D打印的領(lǐng)導(dǎo)者。 波蘭的Tytan 3D開發(fā)團隊成員Janusz Wojcik和Pawel Rokita成功研發(fā)了可以自由選擇打印材料的Delta3D打印機。打印機采用鋁質(zhì)框架，所有的機械元件都是專業(yè)級零件，電機和電子控制系統(tǒng)安裝于打印機上方。打印空間約直徑20 cm，高35 cm。墨盒可以存儲不同的陶瓷材料，甚至可以使用能硬化的砂質(zhì)材料。 荷蘭埃因霍溫藝術(shù)家Olivier van Herpt成功研發(fā)了一臺擁有成人身高、并可打印較大體積陶瓷的3D打印機。打印成品規(guī)格可達到高80 cm，半徑21 cm，細(xì)節(jié)頗為精致。Olivier van Herpt還嘗試用不同類型的粘土進行試驗，并研發(fā)出適合作為打印線材的陶瓷原材料。

總部設(shè)在以色列的Studio Under工作室成功推出了有史以來最大的陶瓷3D打印機[16]。該3D打印機可以打印陶瓷及幾乎所有類型的糊狀材料。除此之外，他們還推出了彩色陶瓷的3D打印。

英國布里斯托的西英格蘭大學(xué)（UWE）開發(fā)出了一種改進的3D打印陶瓷技術(shù)。該技術(shù)可用于定制陶瓷餐具，比如漂亮的茶杯和復(fù)雜的裝飾物，如圖10所示。這項技術(shù)被稱為自己上釉3D打印陶瓷（self-glazing 3D printed ceramic）。UWE精細(xì)打印研究中心（CFPR）主任Stephen Hoskins教授把他們開發(fā)的可3D打印陶瓷材料稱為“ViriClay”，在白色陶瓷餐具行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。 自20世紀(jì)90年代初以來，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)高校在3D打印材料技術(shù)方面進行了積極探索，主要涉及航空、機械、醫(yī)療、生物、模具、汽車、軍工等領(lǐng)域，如：清華大學(xué)長期致力于生物領(lǐng)域的3D打印技術(shù)，研發(fā)出國內(nèi)第一臺細(xì)胞3D打印機，確定了幾乎適合所有細(xì)胞組裝的通用基質(zhì)材料等。西北工業(yè)大學(xué)為國產(chǎn)大飛機C919完成了機翼關(guān)鍵件等研發(fā)配套工作；北京航空航天大學(xué)突破了鈦合金、超高強度鋼大型關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)  。

2013年， 以硅粉為原料，糊精為粘結(jié)劑，采用3D打印快速成型技術(shù)制備出多孔硅坯體，通過反應(yīng)燒結(jié)得到高孔隙率的螺釘、螺母等氮化硅陶瓷部件  。整體來看，國內(nèi)在傳統(tǒng) 陶瓷領(lǐng)域3D打印的成果還不太多，少量的研究也是在利用3D打印技術(shù)制作陶瓷模型后再翻模。如：龍泉青瓷藝人梅紅玲借助3D打印技術(shù)制作了青瓷牛的樹脂模具，然后制模燒制成了第一件鎮(zhèn)紙大小的瓷牛，細(xì)節(jié)栩栩如生，成為青瓷文化中的特殊藝術(shù)品 。

3 傳統(tǒng)陶瓷3D打印特征

傳統(tǒng)陶瓷的制作是一項繁雜的過程，一件陶瓷制品從最初的原料加工到最后燒成需要幾十道工序，環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。而陶瓷的3D打印技術(shù)可以大大節(jié)省時間，使工藝簡單化，且節(jié)省了大量的勞動力成本和原料、能源消耗。其中最明顯的就是原料加工環(huán)節(jié)，差別最大。 傳統(tǒng)陶瓷原料按照工藝特性一般可分為可塑性原料、瘠性原料、溶劑性原料和功能性原料四大類。其中可塑性原料在生產(chǎn)中主要起塑化和結(jié)合的作用，是陶瓷成型的關(guān)鍵，它賦予坯料可塑性和注漿成型性能，保證干坯強度及燒成后的機械強度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等，包括高嶺土、膨潤土、瓷土、木節(jié)土、蘇州土等，是黏土質(zhì)陶瓷的成瓷基礎(chǔ)。但是由于粘土礦物成因復(fù)雜，組成不均，表現(xiàn)為可塑性、觸變性、結(jié)合型、收縮性、耐火度等性質(zhì)差異較大。因此各個陶瓷產(chǎn)區(qū)其陶瓷坯料配方及工藝存在差別，但唯一不變則是粘土本身就是一種永久性粘合劑，即在傳統(tǒng)陶瓷坯料配方中，很少再添加其它粘合劑來改善其坯料性能。 但是如果傳統(tǒng)陶瓷3D打印成型，泥料的性能和其加工過程將大大改變。傳統(tǒng)可塑泥料需要經(jīng)過破碎、球磨、壓濾、練泥、陳腐等工藝制備而成。

但如果將可塑泥料用于3D打印成型，則在細(xì)度、流動性、可塑性等方面都會存在問題，因為3D打印原料更接近于膠凝材料，或是高固相體積分?jǐn)?shù)的懸浮漿料。為達到泥漿良好的流變性能，靠粘土本身的粘附作用力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須使用粘結(jié)劑及其他塑化劑，通過添加劑的改性作用使粉料具備優(yōu)異性能，在顆粒間產(chǎn)生膠結(jié)作用，從而降低黏度，增加流動性，保證3D印正常進行。常用的粘結(jié)劑如：淀粉、糊精、CMC、阿拉伯樹膠、樹脂、凝膠類等高分子物質(zhì)。而且這些添加劑在燒成過程中，其主要化學(xué)成分被分解揮發(fā)，對坯料沒有明顯影響。 其實粘結(jié)劑在傳統(tǒng)陶瓷釉料中也經(jīng)常使用，目的主要是改善漿料的流動性。傳統(tǒng)陶瓷3D打印制造過程中，通過改變傳統(tǒng)陶瓷泥料的制備模式，其原料的選擇性更廣，低可塑性原料、瘠性原料也可以通過粘合劑的凝膠塑化替代高可塑性原料，使資源問題得到緩解。  

4 傳統(tǒng)陶瓷3D打印的挑戰(zhàn)

陶瓷3D打印雖然具有其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，能制造出創(chuàng)造性的陶瓷產(chǎn)品，讓每件產(chǎn)品都如藝術(shù)品般值得欣賞與回味。但是同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)。對傳統(tǒng)陶瓷的制造而言，最大的問題可能來源于粘土類型、3D打印陶瓷的顏色、釉面效果、CAD數(shù)據(jù)建模、陶瓷燒成時的穩(wěn)定性等。首先是粘土的類型和質(zhì)量。從目前研究進展來看，并不是所有粘土都適用于3D打印成型，國外雖有成功經(jīng)驗，但都還處于保密狀態(tài)。粘土本身是一種片狀結(jié)構(gòu)的顆粒，加水和粘結(jié)劑即可能產(chǎn)生觸變性，這對于堆積后的強度會產(chǎn)生非常大的影響，大件產(chǎn)品易產(chǎn)生坍塌。而對于陶瓷的顏色，目前陶瓷墨水的顏色種類還比較有限，要想獲得更為豐富逼真的色彩，可能在陶瓷墨水領(lǐng)域需要進一步研究。其次，3D打印設(shè)備還無法達到普及狀態(tài)，也很難找到能運用這項技術(shù)的專業(yè)人才。

如果要進行3D打印，必須有數(shù)字化的3D模型才行。目前，計算機輔助設(shè)計軟件的缺失也是很大的瓶頸。第三，即使有效地堆積出尺寸精確、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷物件，燒結(jié)時復(fù)雜燒結(jié)體中殘余應(yīng)力如何消除這一技術(shù)難題也需要解決。3D陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性、產(chǎn)品的尺寸、吸水率等都需要進一步思考。 陶瓷是千年窯火淬出的傳統(tǒng)工業(yè)，3D打印則是一項改變?nèi)祟愃季S的全新技術(shù)，當(dāng)兩者碰撞在一起，究竟會產(chǎn)生什么樣的火花我們還不得而知。但是我們有理由相信，3D打印技術(shù)一定會在不久的將來帶來一場制造業(yè)的深刻變革。同時，我們也必須清醒地看到，陶瓷3D打印對陶瓷粉體本身材質(zhì)、釉面裝飾等提出了更高的要求。雖然3D打印在造型上取得了突破，但要想完全顛覆傳統(tǒng)陶瓷文化與工藝特色，可能走的路還很長。

編輯：南極熊
作者：王 超